專利名稱：一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)與探測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于載人航天器系統(tǒng)設(shè) 計領(lǐng)域，尤其屬于載人空間及月球探測領(lǐng)域，具體涉及一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)與探測方法。
背景技術(shù)：
目前國際載人航天事業(yè)正處于新的發(fā)展時期，各航天大國紛紛將目標(biāo)瞄向載人月球、小行星及行星際探索。國外圍繞載人登月的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行了一系列的規(guī)劃設(shè)計，但成功實施的只有美國的APOLLO載人登月工程。APOLLO載人登月工程探測方法是采用月球軌道上交會對接的飛行方案，其飛行過程為(I) 土星5號火箭第一次點火將“阿波羅”飛船送入地球停泊軌道；(2) 土星5號火箭第二次點火加速將“阿波羅”飛船送入地-月轉(zhuǎn)移軌道；(3) “阿波羅”飛船與第三級火箭分離，其指令-服務(wù)艙掉頭并與登月艙對接，再從第三級火箭中拖出登月艙，重新轉(zhuǎn)變方向，把登月艙頂在指令艙頭上直奔月球；(4)飛船沿過渡軌道飛行，經(jīng)中途校正軌道后接近月球；(5)飛船服務(wù)艙主發(fā)動機(jī)減速，使飛船進(jìn)入環(huán)月軌道；(6)飛船的初始軌道為 94. 4kmX 316. 6km,調(diào)整到 109. 2kmX 27. 7km ；(7)飛船進(jìn)入圓軌道，登月艙和母船(指令艙-服務(wù)艙)分離；(8)指令艙-服務(wù)艙在100. 5km X 130. 2km軌道上運(yùn)行；(9)登月艙制動火箭點火并降落在月面；(10)登月艙在月球著陸并完成任務(wù)后，登月艙上升艙起飛，其下降艙留在月面；(11)登月艙上升艙與母船(指令艙-服務(wù)艙)對接，登月航天員回到指令艙；(12)登月艙上升艙與母船再次分離，登月艙在繞月軌道上繼續(xù)飛行；(13)母船進(jìn)入繞地球軌道；(14)指令艙與服務(wù)艙分離；(15)指令艙濺落在地球(海上)。該方案任務(wù)目標(biāo)較單一、只能對月面的極小區(qū)域進(jìn)行實地探測，單次任務(wù)持續(xù)周期相對較短且不易調(diào)整。1987年，作為對空間站的一項應(yīng)用，美國提出了基于近地軌道(LEO) “自由”號空間站組裝的載人月球探測方案，但是這種方案技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)行成本巨大，最終沒有實施。其任務(wù)執(zhí)行過程為(I)將載荷運(yùn)送到空間站；(2)在空間站上完成裝配；(3)登月飛行器進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道；(4) LTV (Lunar Transfer Vehicle)與 LEV (Lunar Excursion Vehicle)在環(huán)月軌道上分離；(5) LEV下降到月面，任務(wù)完成后返回環(huán)月軌道并與LTV對接；(6) LTV返回地球軌道；(7) Aerobrake制動，并進(jìn)行軌道機(jī)動，使LTV與空間站對接。本發(fā)明提出的基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)與探測方法，與基于“自由”號空間站的載人登月飛行方案有顯著的不同點，不僅能夠同時實現(xiàn)對載人地月空間及月球探測，也能夠為未來載人小行星及火星探測提供技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，可以在航天員系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)對地月空間和月球的載人探測。 載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)由地月空間站(Earth-Lunar Station,ELS)、月球探測飛行器(Lunar Exploration Module, LEM)、載人飛船(Crew Transfer Vehicle,CTV)、貨運(yùn)飛船(Cargo Transfer Vehicle, CaTV) 4個空間飛行器組成。月球周期重訪軌道指地月空間內(nèi)可長期穩(wěn)定圍繞地球運(yùn)行、可對月球周期重訪、軌道周期為半個月球軌道周期的一類大橢圓軌道。地月空間站(ELS)配備機(jī)械臂及1-2個對接艙段，具備近地載人空間站常規(guī)功能、主被動交會對接功能、高能粒子防護(hù)功能和持續(xù)熱控功能等功能，可對地月空間進(jìn)行載人探測。地月空間站由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入LTO軌道，自主變軌進(jìn)入月球周期重訪軌道。月球探測飛行器(LEM)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上地月空間站的交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體；月球探測飛行器(LEM)可從地月空間站組合體分離，執(zhí)行月面軟著陸任務(wù)；月球探測飛行器(LEM)可由月面起飛，與月球周期重訪軌道上地月空間站對接；月球探測飛行器(LEM)系統(tǒng)由上下兩級組成；具備常規(guī)飛行器平臺功能、載人生保功能、主被動交會對接功能、月面任務(wù)支持功能。載人飛船(CTV)由載人火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上地月空間站(ELS)的交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體；載人飛船(CTV)可從地月空間站組合體分離，執(zhí)行返回再入地球大氣著陸回收任務(wù)；載人飛船(CTV)具備常規(guī)載人飛船平臺功能、主被動交會對接功能、近第二宇宙速度再入功能。貨運(yùn)飛船(CaTV)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上地月空間站(ELS)的交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體；貨運(yùn)飛船(CaTV)完成對地月空間站的補(bǔ)給與推進(jìn)劑補(bǔ)加；貨運(yùn)飛船(CaTV)具備常規(guī)貨運(yùn)飛船平臺功能、主動交會對接功能。本發(fā)明公開了一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測方法，首先由運(yùn)載火箭將地月空間站(ELS)射入地月間周期重訪軌道，成為圍繞地球的、可對月球周期重訪的、長期穩(wěn)定運(yùn)行在周期為半個月球軌道周期的大橢圓軌道上的地月間載人空間站，可實現(xiàn)對地月空間的探測；接著在工程設(shè)定的時間窗口內(nèi)依次(先后次序可變)由運(yùn)載火箭將LEM、CTV和CaTV射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行；此后在工程設(shè)定的時間窗口 LEM與ELS分離，執(zhí)行對月球的載人實地探測，并可在月面任務(wù)完成后在工程設(shè)定的時間窗口從月面起飛返回ELS;根據(jù)需要，在工程設(shè)定的時間窗口，CTV與ELS分離，返回地球。本發(fā)明所述基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測方法不限于以上具體實施方法，還應(yīng)包括基于單節(jié)點任務(wù)順序變換而產(chǎn)生的新方法。本發(fā)明克服了現(xiàn)有登月模式在時間靈活性和可持續(xù)性差、任務(wù)目標(biāo)相對單一，只能對月面的極小區(qū)域進(jìn)行實地探測，單次任務(wù)持續(xù)周期相對較短且不易調(diào)整的不足，有益效果是提供了一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)與探測方法，可同時實現(xiàn)對地月空間和月球的載人探測，系統(tǒng)探索能力強(qiáng)，任務(wù)目標(biāo)飽滿，同時為地月空間科學(xué)研究提供了技術(shù)平臺。


圖I是阿波羅飛船飛行軌道圖2是基于“自由”號空間站的載人登月飛行方案 圖3是載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)組成4是ELS進(jìn)入月球周期重訪軌道示意5是LEM和ELS交會對接示意6是CTV、LEM和ELS交會對接示意7是CTV、LEM、CaTV和ELS交會對接示意8是LEM與ELS分離，實現(xiàn)月面軟著陸示意9是LEM月面起飛，和ELS交會對接示意10是CTV與ELS分離，返回再入地球大氣示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明公開了一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，可以在航天員系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)對地月空間和月球的載人探測。載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)由地月空間站(ELS)、月球探測飛行器(LEM)、載人飛船(CTV)、貨運(yùn)飛船(CaTV) 4個空間飛行器組成。以下為一次相對完整的對地月空間和月球的載人探測任務(wù)實施例(I)運(yùn)載火箭將ELS射入地月間周期重訪軌道，成為圍繞地球長期穩(wěn)定運(yùn)行的、可對月球周期重訪的周期為半個月球軌道周期的大橢圓軌道上的地月間載人空間站，可實現(xiàn)對地月空間的載人探測。(2)運(yùn)載火箭將LEM射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。(3)視需求，運(yùn)載火箭再次將另一 LEM射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。(4)載人火箭將CTV射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。(5)視需求，載人火箭再次將另一 CTV射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。
(6)視需求，運(yùn)載火箭將CaTV射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。(7)在工程設(shè)定的時間窗口，LEM與ELS分離，執(zhí)行對月球的載人實地探測。(8)在工程設(shè)定的時間窗口，LEM月面起飛，和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行。(9)在工程設(shè)定的時間窗口，CTV與ELS分離，返回再入地球大氣著陸回收。本發(fā)明所述基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測方法不限于以上具體方法，還應(yīng)包括基于單節(jié)點任務(wù)順序變換而產(chǎn)生的新方法。本發(fā)明中未說明部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。權(quán)利要求
1.一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，可以在航天員系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)對地月空間和月球的載人探測，其特征是 所述的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)由地月空間站(Earth-Lunar Station, ELS)、月球探測飛行器(Lunar Exploration Module, LEM)、載人飛船(Crew Transfer Vehicle,CTV)、貨運(yùn)飛船(Cargo Transfer Vehicle, CaTV) 4個空間飛行器組成； 月球周期重訪軌道指地月空間內(nèi)可長期穩(wěn)定圍繞地球運(yùn)行、可對月球周期重訪、軌道周期為半個月球軌道周期的一類大橢圓軌道。
2.如權(quán)利要求I所述的一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，其特征是 所述的地月空間站(ELS)配備有機(jī)械臂、1-2個對接艙段，具備近地載人空間站常規(guī)功能、主被動交會對接功能、空間環(huán)境防護(hù)功能，可在地月空間進(jìn)行載人空間科學(xué)探索與應(yīng)用研究； 所述的地月空間站(ELS)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主變軌進(jìn)入月球周期重訪軌道。
3.如權(quán)利要求I所述的一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，其特征是 所述的月球探測飛行器(LEM)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上所述的地月空間站(ELS)交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體； 所述的月球探測飛行器(LEM)可從地月空間站組合體分離，執(zhí)行月面軟著陸任務(wù)； 所述的月球探測飛行器(LEM)可由月面起飛，與月球周期重訪軌道上所述的地月空間站(ELS)對接； 所述的月球探測飛行器(LEM)系統(tǒng)具備常規(guī)飛行器平臺功能、環(huán)境控制與生命保證功能、主被動交會對接功能、月面任務(wù)支持功能。
4.如權(quán)利要求I所述的一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，其特征是 所述的載人飛船(CTV)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上所述的地月空間站(ELS)的交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體； 所述的載人飛船(CTV)可從地月空間站組合體分離，執(zhí)行返回再入地球大氣著陸回收任務(wù)； 所述的載人飛船(CTV)具備常規(guī)載人飛船平臺功能、主被動交會對接功能、近第二宇宙速度再入功能。
5.如權(quán)利要求I所述的一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)，其特征是 所述的貨運(yùn)飛船(CaTV)由運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入軌道，自主機(jī)動，完成與月球周期重訪軌道上所述的地月空間站(ELS)的交會對接，共同構(gòu)成地月空間站組合體； 所述的貨運(yùn)飛船(CaTV)完成對所述的地月空間站(ELS)的補(bǔ)給與推進(jìn)劑補(bǔ)加； 所述的貨運(yùn)飛船(CaTV)具備常規(guī)貨運(yùn)飛船平臺功能、主動交會對接功能。
6.一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測方法，其特征是 首先由運(yùn)載火箭將地月空間站(ELS)射入地月間周期重訪軌道，成為圍繞地球的、可對月球周期重訪的、長期穩(wěn)定運(yùn)行在周期為半個月球軌道周期的大橢圓軌道上的地月間載人空間站，可實現(xiàn)對地月空間的探測；接著在工程設(shè)定的時間窗口內(nèi)依次(先后次序可變)由運(yùn)載火箭將LEM、CTV和CaTV射入周期重訪軌道，并和在軌運(yùn)行的ELS交會對接，形成組合體在地月間周期重訪軌道運(yùn)行；此后在工程設(shè)定的時間窗口 LEM與ELS分離，執(zhí)行對月球的載人實地探測，并可在月面任務(wù)完成后在工程設(shè)定的時間窗口從月面起飛返回ELS;根據(jù)需要，在工程設(shè)定的時間窗口，CTV與ELS分離，返回地球。全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于月球周期重訪軌道的載人空間與月球探測飛行器系統(tǒng)方案和探測方法，飛行器系統(tǒng)由地月空間站(ELS)、月球探測飛行器(LEM)、載人飛船(CTV)、貨運(yùn)飛船(CaTV)4個空間飛行器組成，在航天員系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、測控系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)對地月空間和月球的載人探測。一個相對完整的載人空間及月球探測任務(wù)周期的探測過程為首先由運(yùn)載火箭將ELS射入地月間周期重訪軌道，成為圍繞地球的、可對月球周期重訪的、長期穩(wěn)定運(yùn)行在周期為半個月球軌道周期的大橢圓軌道上的地月空間站；接著依次由運(yùn)載火箭將LEM、CTV和CaTV射入周期重訪軌道，并和ELS交會對接；此后LEM與ELS分離，執(zhí)行對月球的載人實地探測，月面任務(wù)完成后從月面起飛返回ELS，CTV與ELS分離，返回地球。
文檔編號B64G1/10GK102730200SQ20111008493
公開日2012年10月17日 申請日期2011年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月6日
發(fā)明者向開恒, 楊雷, 果琳麗, 童科偉, 閔學(xué)龍 申請人:北京空間技術(shù)研制試驗中心